التنفيذ التجريبي لأسلوب تصنيع مركب جديد: تعريض الألياف العارية على سطح مركب بواسطة الأسلوب طبقة لينة
Summary
ويرد بروتوكول لفضح ألياف عارية على سطح المركبة عن طريق القضاء على المنطقة الغنية الراتنج. ويتعرض الألياف أثناء تصنيع المواد المركبة، ليس بوظيفة المعالجة السطحية. معرض المركبة يتعرض الكربون الموصلية الكهربائية عالية في الاتجاه من خلال سمك والخصائص الميكانيكية عالية.
Abstract
لوحة القطبين عنصر رئيسي في خلايا وقود غشاء تبادل البروتون (بيمفكس) وبطاريات تدفق الأكسدة الفاناديوم (فرفبس). هو مكون متعدد الوظائف ينبغي أن الموصلية الكهربائية العالية وخصائص ميكانيكية عالية وإنتاجية عالية.
وفي هذا الصدد، يمكن أن يكون مركب ألياف الكربون/الإيبوكسي راتنج مادة مثالية لاستبدال لوحة القطبين الجرافيت التقليدية، الذي غالباً ما يؤدي إلى فشل ذريع للنظام بأكمله بسبب هشاشة الملازمة لها. على الرغم من أن له خصائص ميكانيكية عالية مركب الكربون/الإيبوكسي وهي سهلة التصنيع، الموصلية الكهربائية في الاتجاه من خلال سمك ضعيف بسبب الطبقة الغنية الراتنج التي تشكل على سطحه. ولذلك، اعتمد طلاء جرافيت موسعة لحل قضية الموصلية الكهربائية. ومع ذلك، طلاء الجرافيت موسعة ليس فقط يزيد من تكاليف التصنيع لكن له خصائص ميكانيكية الفقيرة أيضا.
ويتجلى في هذه الدراسة، طريقة لكشف الألياف على سطح مركب. وهناك حاليا العديد من الأساليب التي يمكن أن تعرض الألياف بالمعالجة السطحية بعد تلفيق المركب. هذه الطريقة الجديدة، ومع ذلك، لا يتطلب المعالجة السطحية للألياف تتعرض أثناء تصنيع المركب. طريق فضح العارية من ألياف الكربون على السطح، زيادة الموصلية الكهربائية والقوة الميكانيكية للمركب جذريا.
Introduction
لوحة القطبين عنصرا رئيسيا متعدد الوظائف لنظم تحويل الطاقة ونظم تخزين الطاقة مثل خلايا الوقود والبطاريات. الاحتياجات الوظيفية الرئيسية للوحة القطبين كما يلي: الموصلية الكهربائية عالية في الاتجاه من خلال سمك الحد المقاومها الخسارة، وارتفاع الخواص الميكانيكية الصمود أمام التأثيرات الخارجية، ضغط انضغاط عالية وعالية الإنتاجية للإنتاج بالجملة.
مقارنة بالجرافيت والمعادن التي اعتمدت تقليديا كمواد للوحة القطبين، المواد المركبة من ألياف الكربون/الإيبوكسي لها قوة محددة أعلى وصلابة، مما يشير إلى أنه يمكن تخفيض وزن النظام إلى حد كبير من استبدال المواد التقليدية بين القطبين لوحة المركبة1. ومع ذلك، قد مركبات الكربون/الإيبوكسي التقليدية الموصلية الكهربائية الفقيرة في الاتجاه من خلال سمك، مما ينتج عنه مقاومة محددة مساحية كبيرة (ASR)، بسبب الطبقة الغنية الراتنج التي تتشكل على سطح مركب. الطبقة الغنية راتنج العازلة يمنع الاتصال المباشر بين ألياف الكربون موصل والمكونات المجاورة، مثل آخر لوحة القطبين، طبقة نشر الغاز (GDL)، والكربون ورأى قطب كهربائي (CFE).
وأجريت العديد من الدراسات لحل العصر عالية بسبب الطبقة الغنية الراتنج. وكان النهج الأول أساليب المعالجة السطحية لإزالة الطبقة الغنية الراتنج بشكل انتقائي. على سبيل المثال، تمت محاولة الكشط الميكانيكية لإزالة الراتنج على السطح2. ومع ذلك، ألياف الكربون أيضا بأضرار، مما أدى العصر فقراء. بلازما العلاج3،4 والميكروويف العلاج أساليب5،6 وضعت أيضا لتجنب إتلاف الألياف، بل أنها أدت إلى انخفاض الإنتاجية، والتوحيد. ويشمل النهج الثاني، طرق طلاء طبقة موصلة، الجرافيت الموسعة طلاء7،8. هذا الأسلوب بنجاح تخفيض في العصر ويعتبر أسلوب قياسي لتصنيع صفيحة القطب مركب. ومع ذلك، أنه مكلف والقضايا المتانة، وتنسل الأطراف نظراً لقوة ميكانيكية منخفضة.
ويتجلى في هذه الدراسة، “الأسلوب طبقة لينة”، رواية تصنيع الأسلوب الذي يمكن أن يعرض ألياف الكربون على سطح مركب لوحة القطبين،. والغرض الرئيسي من هذا الأسلوب الحصول على ASR منخفضة بتكلفة تصنيع منخفضة. ويعتمد أسلوب طبقة لينة طبقة رقيقة لينة مثل فيلم بوليمر إصدار بين ضغط العفن وصفيحة القطب. بعد علاج العفن ضغط وفصل طبقة لينة، يعرض لوحة القطبين ملفقة ألياف الكربون مكشوف على السطح دون أي علاج بعد السطحية. هذا الأسلوب ليس فقط انخفض العصر ولكن أيضا إلى حد كبير زيادة الخواص الميكانيكية وحل قضية الغاز نفاذية. ويمكن تطبيق هذا الأسلوب لأغراض أخرى كثيرة: تطوير صفيحة موصلة كهربائياً، وتصنيع مركب رقيقة، وتلفيق مادة لاصقة المشتركة دون المعالجة السطحية.
Protocol
Representative Results
Discussion
طريقة طبقة لينة يوفر مزايا هامة بالمقارنة مع الأساليب التقليدية، ومع انخفاض تكلفة تصنيع. الأنواع الثلاثة للمركبة المصنوعة بواسطة الأسلوب طبقة لينة إظهار خصائص فريدة من نوعها من حيث الخصائص الكهربائية، الخواص الميكانيكية، والغاز نفاذية وخصائص التصاق.
واستخدمت لقياس الخا?…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
أيد هذا البحث محور KAIST بحوث تغير المناخ (منح رقم N11160012)، “يؤدي الخارجية معهد التوظيف برنامج البحوث” من خلال “المؤسسة الوطنية للبحوث في كوريا” الممولة من وزارة العلوم وتكنولوجيا المعلومات والاتصالات وتخطيط المستقبل (منحة رقم 2011-0030065)، “تؤدي البشرية مورد البرنامج التدريبي” من الصناعة الجدد الإقليمية عبر الوطنية بحوث مؤسسة من كوريا (جبهة الخلاص الوطني) تمول وزارة العلوم وتكنولوجيا المعلومات والاتصالات و “تخطيط المستقبل” (منحة لا. NRF-2016H1D5A1910603). هي موضع تقدير دعمهم.
Materials
| Unidirectional carbon/epoxy prepreg | SK Chemicals | USN020 | Used to fabricate unidirectional carbon composite |
| Plain weave carbon fabric/epoxy prepreg | SK Chemicals | WSN 1k | Used to fabricate fabric carbon composite |
| Plain weave carbon fabric | SK Chemicals | C-112 | Used to fabricate fabric carbon composite |
| Non-woven carbon felt | Newell | Graphite felt 3 mm | Used to fabricated felt carbon composite |
| Film type epoxy resin | SK Chemicals | K51 | Used as a matrix of the composite |
| Acetone 99.5% | Samchun | 67-64-1 | Used to cleanse the carbon fiber and the soft layers |
| Mold release | ShinEtsu | KF-96 | Used to coat the mold |
| Release film | Airtech | A4000V | Used as a soft layer |
| Compression mold | N/A | N/A | Machined in lab. Material: NAK80 |
| Hot press | Hydrotek 100 | N/A | Used to apply pressure and heat |
| Scanning electron microscope | FEI Compnay | Magellan 400 | Used to investigate the surface of the composite |
References
- Hwang, I. U., et al. Bipolar plate made of carbon fiber epoxy composite for polymer electrolyte membrane fuel cells. J Power Sources. 184 (1), 90-94 (2008).
- Avasarala, B., Haldar, P. Effect of surface roughness of composite bipolar plates on the contact resistance of a proton exchange membrane fuel cell. J Power Sources. 188 (1), 225-229 (2009).
- Yu, H. N., Lim, J. W., Kim, M. K., Lee, D. G. Plasma treatment of the carbon fiber bipolar plate for PEM fuel cell. Compos Struct. 94 (5), 1911-1918 (2012).
- Lim, J. W., Lee, D. G. Development of composite-metal hybrid bipolar plates for PEM fuel cells. Int J Hydrogen Energy. 37 (17), (2012).
- Kim, B. G., Lee, D. G. Electromagnetic-carbon surface treatment of composite bipolar plate for high-efficiency polymer electrolyte membrane fuel cells. J Power Sources. 195 (6), 1577-1582 (2010).
- Kim, B. G., Lim, J. W., Lee, D. G. A single-type aluminum/composite hybrid bipolar plate with surface modification for high efficiency PEMFC. Int J Hydrogen Energy. 36 (4), 3087-3095 (2011).
- Yu, H. N., Lim, J. W., Suh, J. D., Lee, D. G. A graphite-coated carbon fiber epoxy composite bipolar plate for polymer electrolyte membrane fuel cell. J Power Sources. 196 (23), 9868-9875 (2011).
- Kim, K. H., Kim, B. G., Lee, D. G. Development of carbon composite bipolar plate (BP) for vanadium redox flow battery (VRFB). Compos Struct. 109, 253-259 (2014).
- Lee, D., Lim, J. W., Nam, S., Choi, I., Lee, D. G. Gasket-integrated carbon/silicone elastomer composite bipolar plate for high-temperature PEMFC. Compos Struct. 128, 284-290 (2015).
- Lee, D., Lee, D. G. Electro-mechanical properties of the carbon fabric composites with fibers exposed on the surface. Compos Struct. 140, 77-83 (2016).
- Lee, D., Lim, J. W., Nam, S., Choi, I., Lee, D. G. Method for exposing carbon fibers on composite bipolar plates. Compos Struct. 134, 1-9 (2015).
- Lee, D., Lee, D. G. Carbon composite bipolar plate for high-temperature proton exchange membrane fuel cells (HT-PEMFCs). J Power Sources. 327, 119-126 (2016).
- Lee, D., Choe, J., Nam, S., Lim, J. W., Choi, I., Lee, D. G. Development of non-woven carbon felt composite bipolar plates using the soft layer method. Compos struct. 160, 976-982 (2016).
- Lee, D., Lim, J. W., Lee, D. G. Cathode/anode integrated composite bipolar plate for high-temperature PEMFC. Compos Struct. 167, 144-151 (2017).
- Lee, D., Oh, Y., Nam, S., Choe, J. Adhesion Characteristics of Fiber-exposed Glass Composites. Compos Struct. 165, 9-14 (2017).
